拱梁組合的鋼結(jié)構(gòu)人行天橋靜載試驗(yàn)研究及承載力評定

吳植安

(太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，太原 030024)

鋼結(jié)構(gòu)人行天橋作為一種特殊的結(jié)構(gòu)形式，具有施工周期短、跨越能力強(qiáng)、纖細(xì)等優(yōu)點(diǎn)，相應(yīng)地工程上對其承載能力與通行能力的要求也越來越高，因此有必要對鋼結(jié)構(gòu)人行天橋的的承載能力及安全性進(jìn)行分析評估，為鋼結(jié)構(gòu)人行天橋的運(yùn)營和管養(yǎng)提供技術(shù)依據(jù)。

目前，國內(nèi)外學(xué)者主要對人行天橋的設(shè)計(jì)、現(xiàn)場檢測與安全性評定、動(dòng)力特性測試及結(jié)構(gòu)減振等方面進(jìn)行了研究[1-3]。劉士洋等[4]對一鋼箱梁人行天橋進(jìn)行檢測與安全性分析，并對其實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行了評定。王元清等[5]對西單鋁合金天橋的承載能力與工作性能進(jìn)行了檢測與評定，針對該橋存在問題給出了處理建議。GIUSEPPE et al[6]利用等效光譜模型對人行天橋進(jìn)行了適用性分析。ZUO et al[7]進(jìn)行了行人激勵(lì)下人行天橋的振動(dòng)振幅評估研究。孟美莉等[8]對深圳北站東西廣場人行天橋舒適度進(jìn)行了分析。

太原市濱河西路幸福里人行天橋-拱梁組合鋼橋跨度大，凈空高，跨越濱河西路快速路，本文通過有限元模擬計(jì)算，確定出橋梁靜載試驗(yàn)方案，對橋梁進(jìn)行現(xiàn)場靜載試驗(yàn)及承載能力評定。試驗(yàn)結(jié)果為該橋日后運(yùn)營階段的管養(yǎng)提供技術(shù)依據(jù)，同時(shí)對類似工程的設(shè)計(jì)、施工與檢測提供有益參考。

1 工程概況

太原市濱河西路幸福里人行天橋跨越濱河西路快速路，橋梁結(jié)構(gòu)采用三跨飛燕式拱梁組合鋼橋，跨徑布置為13.0+45.0+13.0=71.0 m，主橋橋?qū)?.4 m，橋面凈寬4.0 m，橋梁凈空9.0 m，其立面圖與橫斷面圖如圖1所示，實(shí)際照片如圖2所示。主拱拱肋采用分離式雙肢截面，兩肢鋼管分別選用直徑219、273 mm的圓形鋼管；外側(cè)肢(鋼拱Ⅱ)矢跨比8/100，拱肋向外側(cè)偏；內(nèi)側(cè)肢(鋼拱Ⅰ)鉛垂面內(nèi)布置，矢跨比12/100，內(nèi)外肢均按二次拋物線變化。橋面主梁采用等高度雙邊鋼梁，梁高0.4 m；橋面板采用12 mm鋼板；橋面板橫向聯(lián)系采用倒T型鋼梁，梁高0.4 m，間距1 500 mm.鋼拱與主梁之間采用鋼支撐剛性聯(lián)系，鋼支撐間距1 500 mm，與主梁橫向聯(lián)系梁對應(yīng)。主橋主墩處設(shè)置兩個(gè)GJZ300×600×69板式橡膠支座，邊墩處設(shè)置兩個(gè)GJZ150×

圖1 人行天橋立面圖和橫斷面圖(單位：mm)Fig.1 Elevation and cross section of pedestrian bridge(unit:mm)

圖2 人行天橋照片F(xiàn)ig.2 Photo of pedestrian bridge

250×35板式橡膠支座，主橋中間橋墩采用縱向“V形”鋼筋混凝土墩柱形式，主橋邊墩采用混凝土墩柱蓋梁形式，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

2 靜載試驗(yàn)方案

2.1 靜載試驗(yàn)?zāi)康呐c要求

1) 為確保新建人行天橋的安全運(yùn)營，檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量，通過靜載試驗(yàn)，對人行天橋的結(jié)構(gòu)性能與承載能力作出評定。

2) 人行天橋橋面標(biāo)準(zhǔn)荷載為4.05 kN/m2，確定靜力荷載試驗(yàn)的荷載大小和加載位置時(shí)，采用靜載試驗(yàn)效率進(jìn)行控制[9]。本次人行天橋靜載試驗(yàn)荷載效率控制在0.85～1.05范圍內(nèi)[10-11]。

3) 人行天橋剛裝修完畢，要求靜載試驗(yàn)時(shí)對橋面地磚等裝飾部件的損傷盡量做到最低限度。

2.2 測點(diǎn)布置

采用MIDAS有限元軟件，在標(biāo)準(zhǔn)荷載下對人行天橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，得出靜載試驗(yàn)中的應(yīng)力與位移測點(diǎn)位置，共布設(shè)20個(gè)應(yīng)力(應(yīng)變)測點(diǎn)，11個(gè)位移測點(diǎn)，具體位置見表1、2，如圖3、圖4所示。對于位移測點(diǎn)N1-N7，采用位移計(jì)量測各測點(diǎn)的豎向位移；測點(diǎn)N8、N9為鋼拱Ⅰ拱頂?shù)乃轿灰?，采用全站儀量測；測點(diǎn)N10、N11為主跨支座處的水平位移，采用位移計(jì)量測。表1、2與圖3、4中括號內(nèi)數(shù)值為沿天橋縱軸對稱構(gòu)件上的測點(diǎn)編號。

表1 應(yīng)變測點(diǎn)布置Table 1 Strain measurement point arrangement

表2 位移測點(diǎn)布置Table 2 Displacement measurement point arrangement

圖3 靜載試驗(yàn)應(yīng)變測點(diǎn)布置(單位：mm)Fig.3 Strain measurement point arrangement for static load test(unit:mm)

圖4 靜載試驗(yàn)位移測點(diǎn)布置(單位：mm)Fig.4 Displacement measurement point arrangement for static load test(unit:mm)

2.3 試驗(yàn)加載方式

人行天橋靜載試驗(yàn)通常有以下三種加載方式：1) 沙包、水泥袋堆載。特點(diǎn)是需人工搬運(yùn)，采用標(biāo)準(zhǔn)重量沙包或水泥袋分級、分層堆載，加載效率不高，加載時(shí)不占用橋下主干道。2) 水箱加載。特點(diǎn)是單個(gè)水箱體積大、重量少，布載距離較長，近乎全橋均布；采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸水箱分級、分列堆載；加載效率較高；所需設(shè)備為水箱與灑水車，加載時(shí)需占用橋下1～2條車道。3) 混凝土試塊加載。特點(diǎn)是單個(gè)混凝土試塊重量大，采用混凝土試塊分級、分層堆載；加載效率高；所需設(shè)備為大型吊車，加載時(shí)需占用橋下2～3條車道。綜合考慮人行天橋跨度、凈高等幾何條件以及設(shè)備、人員等因素，本次靜載試驗(yàn)確定采用混凝土試塊加載方式進(jìn)行加載。

人行天橋橋面標(biāo)準(zhǔn)荷載為4.05 kN/m2，采用MIDAS有限元軟件，對該結(jié)構(gòu)建立空間桿系有限元模型，模型中橋面主梁與鋼拱采用梁單元，鋼支撐采用桁架單元，板式橡膠支座與橋梁的連接采用節(jié)點(diǎn)彈性支撐進(jìn)行模擬。通過計(jì)算，得到在荷載效率范圍內(nèi)的模擬試驗(yàn)荷載，中跨模擬試驗(yàn)荷載如圖5所示，加載區(qū)域分為左、中、右加載區(qū)域，其中，左、右加載區(qū)域試驗(yàn)荷載分別為：均荷載4.0 kN/m2，橫向分布寬度4.0 m，縱向分布長度11.25 m；中加載區(qū)域試驗(yàn)荷載為：均荷載3.33 kN/m2，橫向分布寬度4.0 m，縱向分布長度13.5 m.每個(gè)加載區(qū)域荷載重量均為180.0 kN.邊跨模擬試驗(yàn)荷載如圖6所示，均荷載為3.93 kN/m2，橫向分布寬度4.0 m，縱向分布長度10.2 m，荷載重量為165.0 kN.

2.4 試驗(yàn)荷載效率

通過有限元分析與計(jì)算，分別得到結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)荷載與模擬試驗(yàn)荷載作用下，各構(gòu)件測點(diǎn)的應(yīng)力值與位移值，同時(shí)計(jì)算出該天橋中跨、邊跨靜載試驗(yàn)的荷載效率，詳見表3，表中應(yīng)力控制截面，即測點(diǎn)位置由荷載下內(nèi)力最大的截面位置確定得出。根據(jù)《城市橋梁檢測與評定技術(shù)規(guī)程CJJ/T 233-2015》[11]，靜載試驗(yàn)荷載效率應(yīng)控制在0.85～1.05范圍內(nèi)，表3中，本次人行天橋中跨荷載效率滿足規(guī)范要求，邊跨只有鋼拱內(nèi)力對應(yīng)的荷載效率為0.84，略小，所以綜合考慮，表3各控制截面測點(diǎn)的荷載效率能夠保證本次靜載試驗(yàn)的有效性。以下圖表中應(yīng)力以受拉為正，豎向位移以向上為正，水平位移以相對向外為正。

圖5 中跨模擬試驗(yàn)荷載分布圖(單位：mm)Fig.5 Load distribution of mid-span simulation test(unit:mm)

圖6 邊跨模擬試驗(yàn)荷載分布圖(單位：mm)Fig.6 Load distribution of side-span simulation test(unit:mm)

表3 靜載試驗(yàn)荷載效率Table 3 Load efficiency of static load test

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 實(shí)際試驗(yàn)荷載布置

人行天橋中跨、邊跨均采用混凝土試塊分三級進(jìn)行加載，混凝土試塊尺寸為1 500 mm×550 mm×650 mm，單塊重15.0 kN.試驗(yàn)加載工況見表4，現(xiàn)場中、邊跨荷載位置如圖7、8所示。

表4中，“二級加載”荷載數(shù)值為第一級加載與第二級加載的累計(jì)荷載值；一級加載，左加載區(qū)域荷載60.0 kN，計(jì)算式為15.0 kN(單塊重)×4塊=60.0 kN，其他荷載值也依此計(jì)算。圖7、8中，編號1-2含義為：“1”表示第一級加載，“2”表示第一級

表4 中跨、邊跨的加載工況Table 4 Loading conditions of mid-span and side-span

加載中，第二塊試塊的位置。

圖7 現(xiàn)場中跨荷載布置詳圖(單位：mm)Fig.7 Load arrangement of mid-span static load test at the site(unit:mm)

圖8 現(xiàn)場邊跨荷載布置詳圖(單位：mm)Fig.8 Load arrangement of side-span static load test at the site(unit:mm)

3.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

該人行天橋靜載試驗(yàn)在夜間進(jìn)行，主要儀器設(shè)備有：應(yīng)變片、位移計(jì)、無線靜態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、電腦、全站儀等?，F(xiàn)場配備兩臺(tái)大型吊車，按表4逐級施加荷載，每級荷載位置準(zhǔn)確、整齊穩(wěn)定，荷載施加完畢后，逐級卸載。

試驗(yàn)現(xiàn)場照片如圖9-12所示，由圖12可見，現(xiàn)場采用建筑木方對混凝土試塊進(jìn)行支墊，木方位置與天橋結(jié)構(gòu)橫梁位置一致，可以直接將混凝土試塊重量傳給結(jié)構(gòu)橫梁，從而防止了橋面地磚被壓碎等損傷情況的發(fā)生，滿足了靜載試驗(yàn)要求。

圖9 鋼拱應(yīng)變測點(diǎn)Fig.9 Strain measurement point on steel arch

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 中跨靜載試驗(yàn)結(jié)果

人行天橋中跨靜載試驗(yàn)中，各級工況下，各應(yīng)力測點(diǎn)的應(yīng)力實(shí)測與計(jì)算結(jié)果見表5，5個(gè)豎向位移測點(diǎn)N4、N2、N1、N3、N5的豎向位移縱向分布如圖13所示。

圖10 應(yīng)變數(shù)據(jù)采集Fig.10 Strain data acquisition

圖11 位移計(jì)量測豎向位移Fig.11 Measuring vertical displacement

圖12 現(xiàn)場混凝土試塊加載Fig.12 Concrete test block loading at the site

圖13 中跨位移測點(diǎn)N1-N5豎向位移縱向分布Fig.13 Longitudinal distribution of vertical displacement of measuring points N1-N5

表5中校驗(yàn)系數(shù)為實(shí)測值與計(jì)算值的比值。

表5中未列出南北對稱測點(diǎn)的應(yīng)力值，其數(shù)值與表中相應(yīng)的對稱測點(diǎn)數(shù)值相近，其校驗(yàn)系數(shù)均在合理范圍內(nèi)。中跨靜載試驗(yàn)各測點(diǎn)相對殘余應(yīng)變的最大值為4.4%，小于20%，滿足規(guī)范要求。試驗(yàn)三級加載后，位移測點(diǎn)N9的水平位移實(shí)測值為-3.0 mm，絕對值小于計(jì)算值-3.1 mm；三級加載后，中跨支座處位移測點(diǎn)N10的水平位移為0.12 mm.

表5 中跨靜載試驗(yàn)各測點(diǎn)的應(yīng)力值Table 5 Stress value of each measuring point for the mid-span static load test MPa

4.2 邊跨靜載試驗(yàn)結(jié)果

邊跨在各級工況下，各測點(diǎn)的應(yīng)力實(shí)測與計(jì)算結(jié)果見表6，3個(gè)豎向位移測點(diǎn)N6、N7、N4的豎向位移縱向分布如圖14所示。試驗(yàn)三級加載后，支座處位移測點(diǎn)N10的水平位移為0.09 mm.

圖14 邊跨位移測點(diǎn)N6、N7、N4豎向位移縱向分布Fig.14 Longitudinal distribution of vertical displacement of measuring points N6, N7 and N4

表6中，“實(shí)測”指實(shí)測值，“計(jì)算”指計(jì)算值，“系數(shù)”指校驗(yàn)系數(shù)，“三級二級卸載”指第三級、第二級卸載，“卸載”指卸載完成。

4.3 結(jié)果數(shù)據(jù)分析

對該人行天橋分別進(jìn)行了中跨、邊跨靜載試驗(yàn)，將各測點(diǎn)應(yīng)力與位移校驗(yàn)系數(shù)分布范圍列于表7.

《城市橋梁檢測與評定技術(shù)規(guī)范CJJ/T 233-2015》第6.4.3條規(guī)定[11]，一般鋼橋應(yīng)力與位移校驗(yàn)系數(shù)范圍為0.75～0.95，由表7可見，中跨、邊跨各測點(diǎn)應(yīng)力與位移校驗(yàn)系數(shù)均遠(yuǎn)小于0.95，即主要測點(diǎn)的應(yīng)力、豎向位移實(shí)測值均小于理論計(jì)算值。另外，鋼拱Ⅰ拱頂水平相對位移實(shí)測值均小于理論計(jì)算值；中跨支座處兩測點(diǎn)的相對水平位移數(shù)值很小。因此，依據(jù)《城市橋梁檢測與評定技術(shù)規(guī)范》第6.4、6.5條，該人行天橋結(jié)構(gòu)工作性能良好，其承載力與剛度滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，具有一定的安全與剛度儲(chǔ)備。

表6 邊跨靜載試驗(yàn)各測點(diǎn)應(yīng)力實(shí)測與計(jì)算結(jié)果Table 6 Stress value of each measuring point for the side-span static load test MPa

表7 靜載試驗(yàn)中，各測點(diǎn)應(yīng)力與位移校驗(yàn)系數(shù)分布范圍Table 7 In the static load test, the check coefficients range of stress and displacement for each measuring point

5 結(jié)論

本文對太原市濱河西路幸福里人行天橋-拱梁組合鋼橋進(jìn)行了有限元分析與靜載試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

1) 采用MIDAS有限元軟件對天橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析計(jì)算，確定出靜載試驗(yàn)方案，選擇混凝土試塊加載方式，現(xiàn)場采用方木進(jìn)行支墊，整個(gè)試驗(yàn)過程未對橋面地磚等裝飾部件造成任何損傷。

2) 在試驗(yàn)荷載作用下，結(jié)構(gòu)各測點(diǎn)應(yīng)力與位移校驗(yàn)系數(shù)均遠(yuǎn)小于0.95，依據(jù)《城市橋梁檢測與評定技術(shù)規(guī)范》，人行天橋結(jié)構(gòu)工作性能良好，其承載能力滿足標(biāo)準(zhǔn)荷載4.05 kN/m2作用下的正常使用要求，結(jié)構(gòu)具有一定的安全與剛度儲(chǔ)備。

3) 該人行天橋跨度大，跨越濱河西路快速路，有必要在投入運(yùn)營之前對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測分析，為人行天橋運(yùn)營階段的管理與養(yǎng)護(hù)提供技術(shù)依據(jù)，同時(shí)對類似工程的設(shè)計(jì)、施工與檢測提供有益參考。